Variables del proceso LFC En esta sección se verán los valores más

comunes para las variables del proceso LFC que afectan directamente la calidad de las piezas fundidas durante el vaciado y solidificación del metal. Asimismo, las etapas del proceso que pueden ser mejoradas mediante la simulación numérica13.

Producción del modelo de espuma

Como se vio anteriormente las secciones de los modelos de espuma se fabrican con la ayuda de una máquina moldeadora de poliestireno, la cual conforma las secciones de EPS con ayuda de vapor. De la geometría y calidad del modelo de espuma dependen las características de la pieza fundida, así mismo los canales del sistema de alimentación están moldeados en EPS y deben contar con un diseño y calidad adecuados para garantizar el flujo de metal. Las variables de la etapa de producción de EPS que intervienen y más afectan la calidad de las piezas producidas por LFC son:

• Densidad: es una de las variables que controla el proceso de llenado del modelo de espuma, ya que al contar con densidades de EPS altas, la espuma presenta un mayor tiempo de degradación y es necesario que la temperatura de vaciado del metal aumente para lograr su adecuada vaporización del modelo.

A su vez, afecta la calidad de las piezas fundidas por LFC, ya que de ésta depende la calidad superficial, la porosidad y algunas propiedades mecánicas. Entre más baja la densidad de la espuma menores serán los defectos de carbono brillante, porosidad, llenado incompleto y mal acabado superficial encontrados en las piezas fundidas. Por lo general los fundidores de piezas por LFC utilizan PS con densidad de perla de 600 g/l a 700g/l. Después de la expansión del poliestireno se busca que la espuma tenga una densidad dentro del rango de 22.4 g/l a 25.6 g/l para fundiciones de aluminio y para las fundiciones de hierro se busca una densidad de espuma dentro del rango de 16 g/l a 22,4 g/l14 15.

• Temperatura: se refiere a la temperatura de degradación del modelo de espuma, la cual va ligada a la densidad del EPS, debido a que si el modelo presenta altas densidades (fuera de los niveles de espuma) la temperatura requerida por el metal para degradar el material deberá ser mucho mayor.

13 _{CENTRO INTEGRAL PARA EL DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN (CIDI). Optimización} del proceso de fundición en espuma perdida para la fabricación de autopartes de exportación. Medellín: Universidad Pontificia Bolivariana, 2002.

14 _{FERNÁNDEZ, P, Op. Cit., Ponencia 27.}

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Por lo general el PS presenta el punto de ablandamiento aproximadamente a los 100°C16, temperatura que no debe ser excedida por la arena de moldeo, ya que si logra reblandecerse la espuma se perderá la forma y las piezas fundidas presentaran defectos geométricos. La pirolisis se presenta a una temperatura de 350°C a 400°C y alrededor de 427°C se da la ignición espont ánea del material. Las temperaturas de pirolisis y de ignición espontánea se deben tener en cuenta en la etapa de vaciado del metal, ya que la finalidad de dicha etapa es lograr la completa degradación del modelo de espuma.

• Agente de expansión: el pentano es el agente de expansión del poliestireno, sin éste no sería posible lograr la disminución de densidad que se busca con el proceso de preexpansión del PS. El contenido de pentano en el PS es de 3% a 8% en peso aproximadamente antes de ser expandido (preexpansión). En la conformación de las perlas, el contenido de pentano se encuentra alrededor de un 1.5% y al realizar el prensado éste cae alrededor de 1% en peso. Igualmente, es eliminado por el EPS en el tiempo de almacenamiento17. Tanto el contenido de pentano como la densidad influyen en el fenómeno de degradación de la espuma vinculado a LFC, al presentar un contenido de pentano superior al 2% y 3% los gases de la reacción de degradación son mas abundantes generado una gran probabilidad de poros en la pieza fundida. Equivalentemente, el alto contenido de pentano es sinónimo de una mayor densidad de EPS, generando durante el vaciado un mayor contenido de impurezas y subproductos de la degradación de la espuma atrapados dentro de las piezas fundidas.

Unión de las secciones fabricadas

Cuando las secciones de EPS han sido finalizadas y se encuentran listas para el proceso de armado de los árboles, se lleva a cabo el proceso de pegado de las secciones. Generalmente el pegante utilizado es un sólido termoplástico que es calentado hasta lograr la fusión. En esta etapa debe tenerse algún control sobre las variables, algunas de estas deben ser inspeccionadas y controladas con rigurosidad con la finalidad de lograr una unión fuerte.

• Densidad: generalmente las densidades de estos pegamentos son altas registrando valores que llegan a 60 lb/ft3, esta condición facilita el untado sobre las superficies del modelo*. Sin embargo, presenta condiciones de degradación térmica equivalentes a las del EPS, con niveles de generación de gases y residuos sólidos similares.

• Adhesión: debe garantizarse que el adhesivo presente características de adhesión adecuadas sin requerir grandes cantidades del mismo para la

16

ASHLADD DISTRIBUTION COMPANY. Thermoplastic Troubleshooting Guide. General Polymer Division. USA: El autor, año. p. xx

17 _{FERNÁNDEZ, Op. Cit., p. xx}

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unión de las secciones de EPS. Debe disminuirse la aparición de rebabas porque el metal fundido copia fielmente la geometría del modelo, incluyendo las imperfecciones superficiales del pegado, tendiendo que pulirlas en las operaciones de mecanizado, lo cual incrementa el tiempo de fabricación del producto.

• Temperatura: Para el secado del recubrimiento cerámico se utiliza una temperatura que ronda los 65ºC, por esto, el pegante debe resistir esta temperatura sin presentar deformación alguna.

• Peso: El pegante constituye entre 10% y 20% del peso del árbol de piezas antes de aplicar el recubrimiento. Por tal motivo es importante aumentar la calidad superficial de los modelos y disminuir la rebabas para que no sea necesario usar exceso de pegante en las uniones

Pintado de los modelos de espuma

Después de realizado el ensamble se procede al pintado de los árboles, el recubrimiento usado en este proceso debe tener unas características especiales en cuanto viscosidad, permeabilidad generada y espesor, debido a que una gran cantidad de defectos tienen su origen en la mala aplicación y selección del recubrimiento refractario.

• Permeabilidad: se refiere la permeabilidad a la capacidad que tiene un sistema poroso al paso de gases y líquidos a través de si mismo. En el proceso LFC el recubrimiento debe ser lo suficientemente permeable a la salida de gases, pues en el momento del vaciado el metal degrada la espuma convirtiéndola en gas y si el recubrimiento no posee la permeabilidad necesaria el gas puede quedar atrapado dentro del metal.

• Refractariedad: esta propiedad es propia de los recubrimientos utilizados en la técnica LFC, debe garantizarse cierto grado de refractariedad para que el recubrimiento soporte las altas temperaturas de vaciado y no se degrade por la alta temperatura del metal fundido y quede embebido en las piezas fundidas. Además, el comportamiento refractario ayuda a disminuir la transferencia de calor del metal hacia la arena, generando un enfriamiento del metal más lento y permitiendo una solidificación controlada.

• Rigidez: esta propiedad está relacionada directamente con el espesor del recubrimiento, se debe contar con una rigidez adecuada para dar más fortaleza al árbol de modelos, pues durante la adición de arena en los tarros de moldeo se puede dañar el árbol cuando éste posee baja resistencia, lo cual desencadena en defectos por deformidad del modelo de espuma, además la rigidez del recubrimiento facilita la manipulación del modelo de espuma.

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• Contenido de humedad: de un buen secado depende también la calidad de las piezas fundidas, cuando el recubrimiento posee un porcentaje de humedad muy alto durante el vaciado las piezas presentarán porosidades y acabados superficiales muy bajos. Por tal motivo los modelos pintados deben ser secados en horno a una temperatura entre 40ºC – 60ºC durante un periodo de 2 a 10 horas. Se debe tener cuidado de no aumentar la temperatura por encima de la temperatura de reblandecimiento de la espuma18.

• Viscosidad: el grado de viscosidad depende de la técnica de pintado que sea utilizada, para el pintado por inmersión debe ser utilizado un recubrimiento con mayor viscosidad que en la técnica por aspersión. Antes de realizar el pintado por inmersión la viscosidad del recubrimiento deberá estar entre 3000-8000 cps19. De este parámetro dependen casi todas las propiedades del recubrimiento, ya que si es aumentada la viscosidad el espesor aumenta, la permeabilidad disminuye y se generará un mayor efecto de aislamiento térmico del metal provocando un enfriamiento más lento.

Las propiedades del recubrimiento refractario son las que influyen en gran medida en la calidad de las piezas fabricadas por LFC. El estudio de las mismas se convierte en una labor constante por parte de los productores por LFC porque modificando estos parámetros es controlada la velocidad de vaciado.

Llenado del recipiente de moldeo

La evacuación de los gases generados por la degradación del modelo de EPS es de suma importancia para lograr una calidad adecuada en las piezas fundidas por LFC. Por tal motivo en el llenado del recipiente de moldeo es utilizada una arena que permite la salida de los gases sin mayores restricciones. En esta etapa no pueden ser utilizadas arenas muy finas porque pueden impedir el escape de los productos de combustión del EPS y tampoco pueden ser utilizadas arenas gruesas porque se presentarían defectos como penetración de metal y superficies ásperas. La arena utilizada comúnmente en el proceso LFC es sílice con un índice AFS de 35-45.

Las condiciones de la arena deben ser parametrizadas durante la simulación, se deben conocer las propiedades de conductividad térmica, nivel de permeabilidad, porcentaje de humedad y temperatura inicial. Las variables de relevancia para la simulación son:

18 _{FERNÁNDEZ, G. P. ; MARTÍNEZ, H.V. ; CRUZ, L y DUQUE, A.F. Proceso de fundición en espuma} perdida para la fabricación de autopartes. En: Revista DYNA. Medellín. Vol. 74, no. 151, (mar. 2007); p. 15-24.

19 _{CENTRO INTEGRAL PARA EL DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN (CIDI). Optimización} del proceso de fundición en espuma perdida para la fabricación de autopartes de exportación, Op. Cit., p. xx

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• Temperatura: la temperatura inicial de la arena debe ser conocida, ya que es una variable de entrada para el cálculo de la transferencia de calor Metal – arena durante el vaciado y solidificación del metal. Ésta no debe exceder la temperatura de reblandecimiento del EPS para evitar desmoronamientos y distorsiones. Generalmente en el sistema de manejo de arenas es instalado un intercambiador de calor para llevar la temperatura de la arena hasta los 49ºC20, que es una temperatura que no afecta el modelo.

• Compactación: en el proceso LFC la compactación de la arena es efectuada usando vibración. Se dosifican pequeñas cantidades de arena y se aplica vibración sobre el tarro de moldeo. Debe ser garantizada una compactación tal que el modelo de espuma no se desplace por efectos de flotabilidad cuando el metal es vaciado. Si embargo, un exceso de compactación genera bajas permeabilidades del sistema, lo cual crea defectos graves en las piezas fundidas por falta de evacuación de los gases

Para garantizar una compactación adecuada debe ser adicionado de 0.2% a 1 % de arena nueva en cada recipiente de moldo mientras

Vaciado del metal fundido

Se puede decir que esta etapa del proceso LFC es la que recibe más controles, debido a que de esta dependen muchas de las características de calidad logradas en las piezas fundidas y a su vez una mala selección de los parámetros es la causante de un gran número de defectos en las piezas. En el vaciado del metal fundido se tienen en cuenta ciertos parámetros como la velocidad de vaciado del metal, temperatura de colado, diseño de sistemas de alimentación de metal, tiempos de solidificación, etc.

En cuanto a los diseños de los sistemas de alimentación de metal se podría decir que son mucho más amplios que los utilizados en la fundición tradicional, pues debe garantizarse que el vaciado sea uniforme, sin interrupciones y a velocidades mayores. El punto de entrada de metal se ubica preferiblemente por debajo del moldeo, utilizando vertederos altos que permitan generar una presión hidrostática de metal que supere la contrapresión ejercida por los productos gaseosos de la degradación del EPS.

La velocidad de vaciado es dependiente de la temperatura de vaciado, la densidad de la espuma y la permeabilidad del recubrimiento, se encuentra generalmente entre 12-17 Kg./seg., la cual es varia con el tamaño y geometría de la pieza a fundir. Aunque, debe garantizarse una velocidad de vaciado alta, para lograr una rápida degradación del modelo de espuma, no puede ser superado el rango mencionado anteriormente porque se pueden generar poros, salpicaduras y gotas frías por la rapidez en que entra el metal en el sistema.

La temperatura de vaciado se encuentra entre 1400ºC y 1445ºC hierros fundidos por Cobral

modelo y además se logra una buena fluidez del metal, cumpliendo con las restricciones de velocidad de vaciado.

las variables mencionadas anteriormente. Tabla 2. Resumen d

proceso

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La temperatura de vaciado se encuentra entre 1400ºC y 1445ºC

por Cobral, este rango permite la degradación instantánea del modelo y además se logra una buena fluidez del metal, cumpliendo con las restricciones de velocidad de vaciado. En la tabla 2 se muestra un resumen de las variables mencionadas anteriormente.

esumen de las variables en el proceso LFC, divididas por etapas de La temperatura de vaciado se encuentra entre 1400ºC y 1445ºC para los gradación instantánea del modelo y además se logra una buena fluidez del metal, cumpliendo con las se muestra un resumen de

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